物联网无线短距离ZigBee技术详解
目录
1.ZigBee基本概述
1.1 ZigBee技术的产生
- ZigBee是一种短距离、低功耗的低速无线通信技术，底层采用的是IEEE802.15.4标准规范的媒体访问与物理层。
- ZigBee源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。
- ZigBee技术和RFID技术在2004年就被列为当今世界发展最快，市场前景最广阔的十大最新技术的两个。
1.2 ZigBee技术的形成发展
ZigBee协议是由ZigBeeAlliance制定的无线通信标准。ZigBee联盟成立于2001 年8 月。到目前为止，除了Invensys、三菱电子、摩托罗拉、三星和飞利浦等国际知名的大公司外，该联盟大约已有百余家成员企业，并在迅速发展壮大。其中涵盖了半导体生产商、IP 服务提供商、消费类电子厂商及OEM 商等。
1.3 ZigBee技术特点
由于ZigBee网络之间可以相互连接，所以只要有ZigBee网络覆盖，那么它的传输距离就会很远。ZigBee主要是为了自动化控制数据传输而建立的低速传输网络，并且成本低。
ZigBee网络特点：
- 低功耗：在低功耗待机状态下，两节5号干电池可以使用6至24个月，从而消除了充电或频繁更换电池的麻烦。
- 低速率：Zigbee以20至250kbit/s的较低速率工作，满足低速率数据传输的要求。
- 延迟短：Zigbee的响应速度快，从睡眠状态切换到工作状态通常仅需要15ms，节点访问网络仅需要30ms，从而进一步节省了能源。
- 近距离：有效覆盖范围为10〜100m，基本可以覆盖普通的家庭或办公环境。
- 容量大：Zigbee可以采用星状，片状和网状的网络结构，最多可以形成65,000个节点的大型网络。
- 低成本：Zigbee的简单而紧凑的协议大大降低了其对通信控制的要求，并且Zigbee免收协议专利费。
- 高安全性：Zigbee使用AES-128加密算法提供数据完整性检查和身份验证功能。
- 免许可证频段：直接序列扩频用于工业科学医学（ISM）频段，2.4GHz（全球），915MHz（美国），868MHz（欧洲）。
1.4 ZigBee节点类型及网络拓扑方式
1.4.1 节点类型
- ZigBee 协调器（英文名：ZigBee Coordinate ，通常简写为：ZC）。协调器在ZigBee 网络中，有且只能有一个协调器，它在网络中起了网络搭建和网络维护的功能。是整个网络的中心枢纽。是等级最高的父节点。
- ZigBee 路由器（英文名：ZigBee Router，通常简写为：ZR），路由器在ZigBee 网络中既可以充当父节点，也可以充当子节点，有信息转发和辅助协调器维护网络的功能。
- ZigBee 端节点（英文名：ZigBee End-Device，通常简写为：ZED），终端在ZigBee 网络中，其功能最为简单，只能加入网络，为最末端的子节点设备。只能与其父节点进行通信，如果两个终端之间需要通信，必须经过父节点进行多跳或者单跳通信。是ZigBee 网络中可允许存在的数量最多的节点，也是唯一允许低功耗的网络设备。
1.4.2 网络拓扑方式
ZigBee 根据网络结构可分为三种，即：星状网络、树状网络和网状网络。其中Mesh网络应用最多。
2.ZigBee技术原理
2.1 ZigBee协议栈
ZigBee 的协议栈由两部分组成，IEEE 802.15.4 定义了 PHY(物理层)和 MAC(介质访问层)技术规范;ZigBee 联盟定义了 NWK(网络层)、APS(应用程序支持子层)、APL(应用层)技术规范
2.2 ZigBee协议栈的体系结构
2.3 物理层
2.3.1 物理层参考模型
2.3.2 ZigBee所使用频段及信道资源
ZigBee使用的频段
主流是2.4G.另外还有欧洲频段，868MHz，北美频段，915MHz。
在世界上大多数国家，使用无线电设备都是要支付频率使用费的，包括手机通信。只不过移动运营商或服务提供商已经向国家支付了这笔费用，并通过各种方式向用户收取了这笔费用。
我们国家的2.4G频段，就是这样一个频段。
然而，为了保证大家都可以合理使用，国家对该频段内的无线收发设备，在不同环境下的使用功率做了相应的限制。例如在城市环境下，发射功率不能超过 100mW。
Fc=868.3MHz，(k=0)
Fc=906MHz+2(k-1)MHz，(k=1，2……10)
Fc=2405MHz+5(k-11)MHz，(k=11，12……26)2.3.3 物理层工作频段分配
2.3.4 物理层访问接口
ZigBee物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个从MAC层以物理层无线信道的接口。在物理层中，包含一个物理层管理实体（PLME），该实体通过调用物理层的管理功能函数，为物理层管理服务提供其接口，同时，还负责维护由物理层所管理的目标数据库，该 数据库包含有物理层个域网络的基本信息。
在MAC中，存在有数据服务接入点和物理层实体服务接入点，通过这两个服务接入点提供如下两种服务:
（1）通过物理层数据服务接入点（PD-SAP）为物理层数据提供服务;
（2）通过物理层管理实体（PLME）服务的接入点（PLME-SAP）为物理层管理提供服务。
2.3.5 物理层功能
- 1)ZigBee的激活；
- 2)当前信道的能量检测；
- 3)接收链路服务质量信息；
- 4)ZigBee信道接入方式；
- 5)信道频率选择；
- 6)数据传输和接收。
2.3.6 物理层数据的发送和接收
数据的发送和接收是通过PD-SAP提供的PD-DATA原语完成的，它可以实现两个MAC子层的MAC协议数据单元（MPDU）传输。
IEEE802.15.4标准专门定义了三个与数据相关的原语：数据请求原语（PD-DATA.Request）,数据确认原语（PD-DATA.comfirm）和数据指示原语（PD-DATA.Indication）
2.3.7 物理层链路质量指示
高层协议往往要求依据底层的链路质量来选择路由，物理层在接收一个报文的时候，可以顺带返回当前的LQI值，物理层主要通过底层的射频硬件支持来获取LQI。
MAC软件产生的LQI值可以用信号接收强度指示器（RSSI）来表示。
2.3.8 物理层属性参数的获取与设置
2.4 数据链路层
主要功能
协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协议器同步；
支持PAN网络的关联（association）和取消关联（disassociation）操作；
支持无线信道通信安全；
使用CSMA-CA机制访问信道；
支持时槽保障（guaranteed time slot, GTS）机制；
支持不同设备的MAC层间可靠传输。2.5 MAC层
MAC层负责无线信道的使用方式，它们是构建ZigBee协议底层基础。
2.5.1 MAC层的主要功能
- 为协调器生成网络信标
- 与网络信标同步
- 与PAN网络关联和解除关联
- 设备安全支持
- 使用CSMA-CA机制进行信道访问
- 处理和维护GTS机制
- 在两个对等MAC实体间提供可靠链路2.5.2 MAC层服务规范
MAC层通过MCPS-SAP和MLME-SAP提供SSCS(Service Specific Convergence Sublayer)和PHY之间的接口。
MAC包括一个称为MLME的管理实体；MLME提供了层管理服务接口，通过该接口可以调用层管理功能；MLME还负责维护与MAC有关的被管理对象的数据库，该数据库被称为MAC PIB。
MAC数据服务，通过MCPS-SAP(MAC Common Part Sublayer Data SAP)访问；PHY管理服务，通过MLME-SAP访问。
2.5.3 MAC帧格式
IEEE 802.15.4定义了4种MAC帧结构：
- 信标帧
- 数据帧
- 应答帧
- MAC命令帧
2.6 网络层
2.6.1 网络层功能
- 配置一个新的设备。例如，把新的设备配置成zigbee协调器，或者尝试加入一个已经存在的网络
- 启动新的网络
- 加入或者离开一个网络
- 执行网络安全
- 路由信息帧到它们的目的地。（协调器或者路由器）
- 发现和维护设备间的路由。
- 发现单跳邻居，并存储它们的信息。（单跳设备不需要中继服务）
- 分配地址给假如网络的设备。（协调器或路由器）
2.6.2 网络层模型参考
网络层由两部分组成，网络层数据实体（NLDE）和网络层管理实体（NLME）。
网络层管理实体通过访问服务接口NLME-SAP为上层服务提供网络层的管理服务，另外哈负责维护网络层信息库。
2.6.3 网络层帧格式
网络层协议数据单元（NPDU）即网路层帧结构，在Zigbee网络协议定义了两种类型帧结构，即网路层数据帧和网络层命令帧，格式如下：
- 帧结构组成：网络层协议数据单元结构由网络层帧报头和网络层的有效载荷两部分组成
- 帧报头：帧报头含帧控制、地址信息、广播半径域、广播序列号、多点传送控制等信息。
- 帧有效载荷：帧有效载荷的长度是可变的，包含的是上层数据单元信息
2.6.3.1 帧控制子域
- 帧类型：帧类型子域占2位，00表示数据域，01，表示命令域，10-11保留；
- 帧协议版本：协议版本子域占4位，为Zigbee网络协议层标准的版本号，在Zstack-CC2530-2.5.1A中版本号为2；
- 发现路由：发现路由子域占位2位，00标准禁止发现，01表示使能路由发现，10表示强制路由发现，11保留；
- 广播标记：广播标记占1位，0表示单播或者广播，1表示组播；
- 安全：安全子域占1位，当该帧为网络层加密时，安全子域的值为1，当未加密时，值为0.
- 源路由：源路由子域占1位，1表示源路由在网络报头中存在，如果源路由子帧不存在，则源路由子域值为0；
- IEEE目的地址：为1时，网络帧报头包含整个IEEE目的地址
- IEEE源地址：为1时，网络帧报头包含整个IEEE源地址
2.6.3.2 目的地址
目的地址长度域为2个字节如果域控制饿广播标志子域值为0，那么目的地址域为16位目的设备网络地址或者广播地址如果广播标志子域值为1，目的地址域16位目的组播的Group ID.
2.6.3.3 源地址
在网络层帧中必须有源地址，其长度是个字节，气值是源设备的网络地址。
2.6.3.4 半径域
半径域总是存在的，它的长度为1字节当设备每接收一次帧数据时，广播半径即减1，广播半径限定了传输半径的范围
2.6.3.4 广播序列号域
每个帧都包含序列号域，其长度是1字节每发送一个新的帧，序列号值即加1帧的源地址和序列号子域1对，在限定序列号1字节的长度内是唯一的标识符。
2.6.3.5 IEEE目的地址
如果存在IEEE目的地址域，它将包含在网络层地址头中的目的地址域16位网络相对应的64位IEEE地址中如果该16位网络地址是广播或者组播地址，那么IEEE目的地址不存在。
2.7 应用层
网络层功能包括：维持绑定表、在绑定的设备之间传递消息
ZigBee应用层由应用子层（APS）、Zigbee设备对象、ZigBee用框架（AF）、Zigbee设备模板和制造商定义饿应用对象等组成。
2.8 设备类型
2.9 节点类型
2.10 通信流程
2.11 拓扑结构类型
拓扑结构类型主要分为三类：星状结构、树状结构、网状结构。
2.11.1 星状拓扑结构
优点：
- 最简单的一种拓扑形式
- 包含一个协调器节点和一系列的终端节点
缺点
- 协调器节点故障将导致整个网络瘫痪
2.11.2 树状拓扑结构
树形拓扑包括一个Co-ordinator（协调者）以及一系列的 Router（路由器） 和 End Device（终端）节点。Co-ordinator 连接一系列的 Router 和 End Device， 它的子节点的 Router也可以连接一系列的 Router 和End Device.
2.11.3 网状拓扑结构
MESH 网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能；
2.12 ZigBee网络的路由协议
2.12.1 路由协议作用
- 监控网络拓扑结构变化
- 交换路由信息
- 确定目的节点位置
- 产生、维护以及取消路由
- 选择路由并转发数据
2.12.2 ZigBee路由协议
- 为了达到节约成本，节省能量消耗设计的目标，Zigbee网络中的一部分节点饿功能被简化，这些节点智能进行简单的收发，而不能充电路由器。
2.12.3 网络层地址分配机制
Zigbee网络中的每一个节点都有一个16bit网络短地址和一个64bitIEEE扩展地址。其中，16bit网络地址实在节点加入网络时由其父节点动态分配，这种地址仅仅用于路由机制和网络中的数据传输。
节点的网络深度是指从节点到根节点协调器的最短跳数，标识节点在网络拓扑结构图中的层次位置。当协调器建立一个新的网络后，首先将自己的16bit网络地址初始化为0，网络深度初始化为0。
2.12.3 .1 Zigbee网络路由的数据结构
2.12.3 2 ZigBee路由发现表
2.12.3.3 邻居节点列表
2.12.3.4 路由比较算法
2.12.3.5 Zigbee路由维护过程
2.12.3.6 ZigBee网络组建
网络初始化准备
- 节点是全功能设
- 未与其他网络连接
网络初始化流程
3.ZigBee技术物联网应用
3.1 ZigBee技术的适用条件
- 节点设备成本很低，要求传输的数据量相对较少；
- 节点设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；
- 没有充足的电力支持，只能使用一次性电池；
- 频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难；
- 需要较大范围的通信覆盖，网络中的节点设备非常多，但仅仅用于监测和控制。
3.2 Zigbee技术的应用领域
ZigBee技术的主要应用领域包括：数字家庭、工业领域、农业领域、医学领域、汽车、家庭和楼宇自动化、消费和家用自动化市场以及道路指示、安全行路方面等。
3.2.1 ZigBee技术细分应用领域
- 结合ZigBee和GPRS的无线数据传输网络
- ZigBee技术在石油石化行业的应用
- 基于ZigBee技术的管道检测无线数据传输网络
- Zigbee智能交通控制无线通信方案
- 医院对患者、监护设备及设备进行医疗和健康监控
借助于各种传感器和Zigbee网络，准确且实时监测病人血压、体温和心跳速度等信息，从而减少医生查房饿工作负担，有助于医生作出快速反应，特别是对重病和病危患者的监护治疗。
- 基于Zigbee技术的无线点餐系统通信解决方案
应用：餐饮无线点餐系统、茶楼、咖啡馆、网吧、KTV娱乐场所呼叫系统。
3.3 项目案例：智能控制照明案例
学习目标
- 认识开关和智能插座
- 掌握智能照明设备的控制
- 属性物联网智能化应用平台典型应用
- 了解测点分类及其命名规范
3.3.1 ZigBee技术的智能中断入网拓扑
网关和服务器通过TCP/IP建立通信连接，而网关同底层的智能化设备通过。
Zigbee建立无线通信连接，从而将智能化设备接入物联网监控平台如图所示。
3.3.2 准备知识
- 照明的控制一般可以通过开关或智能插座，因此我们需要对开关和智能插座有一定的了解。
- 现阶段市面上的常用家用电气照明开关分为传统开关和智能开关。
- 传统爱国依照尺寸主要分为86型、118型、120型，依照电路分为1路、2路、3路和多路
智能开关认识
智能开关依照供电方式主要分为：有源型和无源型。
依照通讯方式分为：有线方式和无线方式
依照通讯协议分为：P-BUS、KNX、LoRa、ZigBee等等以及其他协议。
智能插座认识
智能插座特点：
- 能耗监视
- 远程控制
3.3.3 智能控制照明控制设计与部署
准备工作：
（1）材料：
- 10A智能插座
- 普通220VAC日光灯
- 灯座
- 10A插头
（2）工具
- 螺丝刀
- 万用表
（3）基本电路
开关控制照明电路图为
（4）安装过程
3.3.4 星状拓扑结构的组建流程
3.3.5 系统组建
本例采用CC2530芯片设计Zigbee网络节点。CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。
3.3.6 通信流程
总结
通过学习了解了ZigBee的技术背景和技术特点。ZigBee技术原理详细介绍了协议栈、拓扑结构、频段和信道、物理信道、通通信流程。最后介绍了ZigBee物联网应用的适用条件和技术条件。